专利名称：用于附接到包含复合材料的构件的中空元件的制作方法
用于附接到包含复合材料的构件的中空元件本发明涉及用于附接由复合材料组成的构件，例如由纤维增强塑料部件或织物增强塑料部件组成的构件的中空元件，例如中空铆钉或螺母元件。复合材料在很多不同的领域中频繁地使用并且主要由具有内嵌的纤维增强物的塑料组成。纤维增强物可以例如采取带材、织物、毛毡和垫子的形式。例如，被玻璃纤维和塑料增强的聚酯树脂，例如被碳纤维增强的环氧树脂，的汽车车身设计部件在汽车构造中频繁地使用并且多种其他构件例如控制台和镀层同样由这样的复合材料制造。当使用碳纤维作为增强物时，碳纤维的织物被频繁地使用，因为人们可以然后获得在构件的所有方向的增强。然而，复合材料的领域不以任何方式被限于玻璃纤维和碳纤维，具有可以考虑的许多其他的增强纤维。此外，很多不同的塑料也可以被用作基质材料。所有的这样的材料在此通常被描述作为复合材料或纤维增强塑料。它们还可以通过通用术语“有机片材金属”被描述。该术语在某些领域中被理解为专业术语。本发明主要使用了使用热塑性材料，即热塑性塑料作为基质材料的那些复合材料，其在低于熔点的升高的温度时软化或成为浆状。然而，不排除，硬质塑料也可以被用作基质材料，只要这些是足够地软的，或在升高的温度，即在低于基质材料被永久破坏的温度的温度时，成为软的或浆状的。在此要求保护的方法还可以用于具有实际上不是热塑性塑料但是尚未达到它们的最终状态而是以它们在其中在或不在加热的情况下软化的状态中存在但是可以经过一定时间或通过紫外光或湿度的作用或以其他的方式通过连续的聚合或交联被转移为更硬状态的基质材料复合材料。经常必需的是，使用具有紧固件元件的复合材料的构件，例如以把相应的构件固定于其他的部件或把其他的部件附接于纤维增强塑料构件。铆钉元件和螺栓或螺母元件都可以被认为是可以全部被包含在术语功能元件内。该术语还适用于可以同样被固定于复合材料的夹子和轴承。无论该功能元件具有什么形式，始终是必需的是，提供在塑料部件中的一个孔或多个孔以使相应的期望功能元件的附接成为可能，除非螺纹插入部或孔口在构件的制造期间被整合到塑料构件中，然而这是非常耗费时间的和复杂的并且导致另外的成本，并且有时导致必需的塑料部件的局部增厚。孔的制造主要通过钻孔过程实现，由此材料残留例如切屑产生并且复合材料被在钻孔的区域中弱化。可设想的是，如需要的，给构件穿孔以产生孔，由此必须被弃去的以穿孔小块的形式的废物出现，并且构件的局部弱化出现。复合材料由任何期望的增强材料或纤维和任何期望的塑性可变形的或可熔融的基质材料组成。因此，根据本发明的在此使用的术语“复合材料”不仅包括具有纤维增强物的塑料，而且例如还包括具有增强材料例如碳纤维或陶瓷颗粒的金属例如铝的基质材料。本发明的目的是提供中空元件和使提供至少实质上无损失的孔而没有构件的显著弱化成为可能的辅助性手段，特别是用于中空功能元件例如铆钉或螺母元件(铆钉螺母和压入螺母)的接收。为了满足该目的，提供用于附接到由复合材料组成的构件，例如纤维增强塑料部件或织物增强塑料部件的中空元件，例如中空铆钉或螺母元件，其中元件具有凸缘部件和远离凸缘部件延伸的轴部件和/或铆钉节段，其中铆钉节段，如果存在的话，还能够被形成在轴部件的自由端处，其中中空元件还具有中央通路，中央通路可选择地设有螺纹圆柱(threadcyIinder),其特征在于，中空元件可以与辅助性尖端组合地使用，辅助性尖端被从元件的凸缘侧插入穿过通路或从铆钉节段的轴部件的自由端的一侧插入通路中，使得辅助性尖端的圆锥形会聚区域分别从轴部件的自由端或铆钉节段的自由端突出。通过辅助性尖端，构件可以在中空元件的附接期间被穿透，并且实际上不通过钻孔或穿孔过程，而是代替地使得尖端渐进地穿透构件并且把构件的材料朝向围绕第一穿透部分的点的外侧渐增地位移，直到提供用于接收中空元件的轴部件的具有期望尺寸的孔。通过之前在孔的区域中存在的构件材料的横向位移，在孔的一侧或两出现构件的增厚(取决于在穿透过程期间构件是否以及如何被局部地支撑)，并且所积聚的材料可以然后被位移到中空元件的沟槽和/或底切口中并且被带入与提供防止旋转的特征的接合，并且因此始终仍然被布置为接近于孔边缘，即在围绕其中其局部增强构件的孔边缘的点处，并且其实际上在将以其他的方式被弱化的点处。因为构件的材料，即基质材料和增强纤维二者，被辅助性尖端位移，所以材料在孔边缘处的积聚被同样增强并且用于中空元件到构件的高质量附接防止疲劳裂化和其他的故障源。即使材料首先被在构件的距中空元件的凸缘部件远的一侧增厚，该侧可以被压平，这在任何情况下在构件与中空元件的压配合期间或在通过铆钉节段的造珠期间和在构件的材料向任何沟槽和/或底切口中和向与提供防止旋转的特征的表面的接触的位移期间发生。以这种方式，高度地期望的平面的旋接上的表面(screw-on surface)在构件的距凸缘部件远的一侧出现。当提供防止旋转的特征被设置在凸缘部件的区域中以在中空元件和构件之间形成防止旋转时，是特别地有利的。因为，使用复合材料，凸缘部件和相应的环形接触表面必须被制造为是相对大的以保持表面压力是可接受的，所以提供防止旋转的特征也可以被制造为是相对大的并且可以因此是非常有效的，即使具有小的高度。凸缘部件可以例如设有环形平面的接触表面，其配备有可以被压到构件的基质材料中的离散的轴向突出部。这样的突出部可以被径向地向外布置在环形接触表面处，即在其引起用于小尺寸的相对高的防止旋转的位置处。突出部可以在最高的点处齐平或轻微地被倒圆角，使得它们不破坏复合材料的纤维增强物。中空元件优选地不仅具有在凸缘部件处的环形平面的接触表面，而且在该接触表面内径向地设有优选地被布置为与轴部件同心并且同样具有提供防止旋转的特征例如提供防止旋转的肋部和/或提供防止旋转的凹陷部的轴向环沟槽，优选地在其的基部区域处。这种类型的设计特别地对于材料在孔边缘的区域中的良好积聚以及对于良好的防止旋转起作用，而没有在中空元件的附接的区域中对构件的弱化。中空尖端可以通过不破坏螺纹的轻压配合或通过弱粘结结合或通过磁力保持在通路中。以这种方式确保中空元件与辅助性尖端的组合体在运输、操纵和处理期间被保持在一起，直到辅助性尖端被有意地移除，这可以然后容易地发生。当辅助性尖端具有可以被引入中空元件的通路中的圆柱形区域并且具有在圆锥形会聚的尖端和圆柱形区域之间的可以在构件的穿透之前被带进紧贴轴部件的自由端或铆钉节段的自由端接合的环肩部时，是特别地有利的。该辅助性尖端可以在纵向轴线的方向从轴部件的自由端或铆钉元件的自由端引入通路中并且然后辅助性尖端被支撑在所述自由端处。当中空元件在具有相应于或在某种程度上小于轴部件的或铆钉部件的外径的最大直径的圆锥形会聚的尖端后方通过颈部合并进入被接收在螺纹圆柱中或通路中的较小直径的一部分时，是特别地有利的。使用这种设计，当颈部的曲率不同地选自铆钉节段的自由端的在间隙首先在那里存在的内侧处的形状时，辅助性尖端还可以用于铆钉珠的形成。在纵向轴线的方向以及在朝向凸缘部件的方向上在辅助性尖端上施加力期间，该尖端可以然后相对于轴部件或相对于铆钉节段轴向地位移，由此间隙被至少近似地关闭并且铆钉节段被径向地向外偏斜并且再成形为铆钉珠。以这种方式，专门的铆钉模具不是必需的并且附接过程可以被非常简单地设计。在其中中空元件设有内螺纹的可选择的实施方案中，辅助性尖端可以具有被旋接到内螺纹中的外螺纹。其中辅助性尖端被形成为可从凸缘侧过来地引导穿过中空元件的通路的前期打孔器(preceding hole punch)的设计是同样可能的。打孔器，即具有孔穿透尖端的打孔器，可以被反复地重复使用并且不需要向每个中空元件提供分别的辅助性尖端。特别地推荐的是其中元件的中空轴部件的自由端或铆钉节段的自由端具有与所使用的辅助性尖端的圆锥形形状匹配的圆锥形会聚的形状的实施方案。以这种方式，穿透工作的一部分可以被从中空元件的凸缘侧过来穿过所述通路的相对小的辅助性尖端进行，而穿透工作的其他部分被轴部件的或铆钉节段的圆锥形会聚的形状进行。本实施方案还有利于从凸缘侧过来地被引导穿过所述通路的可重复使用的前期孔穿透尖端的使用。在另外的实施方案中，辅助性尖端可以具有在圆锥形会聚区域后方的发散的弹簧盆心(diverging spring tongue),发散的弹簧盆心以发散的形状在相应于轴部件的自由端的外径或轴部件的或铆钉节段的自由端的圆锥形会聚的形状的自由端面的外径的直径处结束，其中弹簧岔心能够在构件的穿透之后被向内压动。以这种方式，可以提供从辅助性尖端的圆锥形会聚区域至轴部件的或铆钉节段的圆锥形会聚区域的平缓过渡。在这一点上，辅助性尖端可以具有在后部的圆柱形延伸部，其被引导在被布置和旋接到中空元件的通路中的中空插入部中。以这种方式，辅助性尖端可以被稳定地引导并且中空插入部或导向轴套可以支撑弹簧岔心。中空元件还可以与导致中空元件与辅助性尖端一起轴向运动和/或导致辅助性尖端单独轴向运动的工具组合使用，工具选自包括压力机、安装头、机器人、钳子、具有动力气缸的C形框架的组，并且其中构件优选地在穿透期间被独立地支撑或被支撑在冲模母模例如铆接模上。此外，中空元件可以与加热器配合地使用，加热器把构件在穿透的区域中加热至取决于基质材料的温度(matrix material dependenttemperature),在该温度，复合材料的基质材料不熔融而是软化或成为浆状，例如当材料是PA6时加热至260°C的温度。本发明将参照实施方案并且参照附图在下文中更详细地解释，在附图中示出了:
图1A-1E是以具有辅助性尖端的螺母元件形式的第一中空元件的图示，并且实际上在从上方的透视图中(图1A)、在从下方的透视图中(图1B)、在从下方的平面图中(图1C)、在被在纵向方向部分地剖视的图示中(图1D)以及在从上方的平面图中(图1E)，图2A-2E是图1A至IE的具有辅助性尖端的中空元件附接由复合材料组成的构件，并且实际上在以下部分剖开的图示中:构件的截面(图2A)、构件被辅助性尖端的穿透(图2B)、相似于图2B的图(然而在其中中空元件的铆钉节段已经进入构件的孔区域中)(图2C)、为了把中空螺母元件的铆钉节段形成为铆钉珠的冲模母模的使用(图2D)以及由中空元件被铆接于其的构件组成的已完成的构件组件(图2E)，图3A-3E是相应于图1A-1E的一系列的图的一系列的图，具有辅助性尖端的可选择的实施方案，图4A-4D是用于图示根据图3A-3E的中空元件附接到相应于图2A-2E的一系列图的图2A、2B、2C和2E的图示的构件的附接的一系列的图，图5A-5E是另外的相应于图1A-1E的图，但是不具有辅助性尖端并且具有铆钉节段的特别的形状，图6A-6C是用于根据图5A-5E的螺母元件附接由复合材料组成的构件的、使用以具有尖端的旋入销钉形式的辅助性尖端的第一变化形式的图示，并且实际上在第一图示中，其中图5A-5E的中空元件被布置为具有在构件上方的辅助性尖端(图6A)，其中具有辅助性尖端的中空元件已经被压动穿过构件，达到使得铆钉节段的具有特别形状的区域被定位在构件中的程度的图示(图6B)，以及具有由被铆接于构件的中空元件组成的已完成的构件组件的图示(图6C)，图7A-7C是另外的相似于图6A-6C—系列图的一系列图,但是具有可选择的辅助性尖端的图示，以及图8A-8E是用于根据图1A-1E的螺母元件附接已经被预穿透的由复合材料组成的构件的可选择的可能性。首先参照图1A-1E，示出了以具有凸缘部件102和远离凸缘部件延伸的轴部件104的螺母元件100形式的中空元件的第一实施例。轴部件104在此被形成为铆钉节段106。螺母元件100还具有被布置为与中空元件的中心纵向轴线110同心的中央通路108并且设有螺纹圆柱112。如特别地从图1C和ID可见的，螺母元件100具有在凸缘部件102的毗邻于轴部件的该侧处的环形接触表面114并且环沟槽116被定位为径向地在该接触表面114内并且围绕轴部件104。在此在横截面中近似矩形的沟槽116的基部区域中，具有提供抵抗旋转的肋部118，其完全地桥接环沟槽116的基部区域。肋部118是在高度上比沟槽116的从环形接触表面114的深度小的。环沟槽向环形接触表面114的过渡在此被示出为具有圆形边缘。用于这样的环沟槽的其他形状是在片材金属加工的领域中以及从本申请的专利申请熟知的并且可以被如期望地使用。应当注意，本发明不以任何方式被限于根据图1A至IE的或根据本申请的其他附图的螺母元件100的使用，而是可以考虑具有为了权利要求1中的中空元件所提出的基本设计的所有中空元件。即，本发明可以还使用或实现所有这样的元件。此外，平面图中的较小的凸起部分120位于环形接触表面114上并且优选地在它们的上侧处被齐平。在根据图1D的图示中在凸缘102上方具有圆柱形突出部122，其中螺纹112的一部分被形成在该突出部122内，并且另外的部件位于凸缘部件102的区域中。圆柱形突出部122合并到凸缘部件102中但是具有比轴部件102小的直径，由此产生了与中心纵向轴线110同心的环形表面124。该表面124图示所谓的受驱动表面，即当元件被结合入构件中时压力可以被施加在其上而不存在螺纹被施加的力变形或元件被以其他的方式破坏的危险的表面。如图1A-1B中所示的元件的大体的形状是本来以公司ProfilVerbindungstechnik GmbH&C0.KG的RND元件的形式已知的，除了具体的尺寸并且尤其是宽的接触表面114以及在环形接触表面114上向外的小的凸起部分102，这些在此提供良好的抵抗旋转能力。凸缘部件102具有近似球状的形状，这是对于RND元件来说同样是已知的。图1A-1E的螺母元件100被辅助性尖端126补充，这可以从图1D最好地看到。注意到，该辅助性尖端具有会聚至在前端部处的点的圆锥形的前部尖端部件128。圆锥形的尖端在其的距点远的端部合并到圆形颈部129中，圆形颈部129的最小尺寸相应于节段106的圆柱内径。颈部129经过环形阶梯131合并到圆柱形的节段133中，圆柱形的节段133具有在螺纹圆柱112内的轻压配合或被磁力保持在那里。因此尖端不可能丢失。在本实施方案中，辅助性尖端126被从轴部件104的自由端，即铆钉节段106的自由端的一侧插入通路108中，使得辅助性尖端的圆锥形会聚区域180从轴部件的自由端或铆钉节段106的自由端突出。看到，辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128的最宽直径具有与铆钉节段106的外径相同的直径。上文描述的具有辅助性尖端的中空铆钉元件到由复合材料构成的构件的附接将参照图2A-2E的一系列的图更详细地描述。图2A首先在部分截面的图示中示出了复合材料的构件130的截面。构件可以是三维构件，例如以翼或阻尼器或操纵台或类似物的形式，其中仅构件的平坦的区域被在此示出，但是不重要的是区域是绝对地笔直的，而是其还可以是在螺母元件100的附接的区域中具有略微曲率的构件。由螺母元件100和辅助性尖端126组成的组合体借助于前部的尖端126压紧构件130并且尖端被压动穿过构件，如可以首先在图2B中看到的。以这种方式，孔132出现在构件130中，并且被借助于尖端位移的材料在构件130的下侧处以及在上侧处以被增厚的部分134和136的形式积聚，如图2C中所示的。在图2C中，还可以看到，铆钉节段现在几乎被完全地接收在孔132中。此外，在图2C中可以看到具有接收尖端的圆锥形凹陷部144以及中央通路142的冲模母模140。在螺母元件100的进一步向下导向的运动期间，辅助性尖端126，即其的圆锥形会聚区域128，开始紧贴冲模母模140的圆锥形凹陷部144的整个面积进行接触并且环形接触表面114开始紧贴构件130的上侧进行接触。此外，冲模母模140的平面的上端面146开始与构件130的下侧接触，如图2D中所示的。通过螺母元件100朝向冲模母模140的相应的运动，位于凸起部分134和136的区域中的材料被迁移或位移，使得其完全地填充满环沟槽116并且开始紧贴提供防止旋转的肋部116进行完全的面积接触。此外，提供防止旋转的鼻部120被压到构件130的上侧中。此外，通过螺母元件100的这种朝向冲模母模的运动，辅助性尖端126被向下地压动，由此颈部129把铆钉节段106再成形为铆钉珠150，如在图2D中和在图2E中示出的。当中空元件具有在圆锥形会聚的尖端后方的相应于轴部件的外径或铆钉节段的外径或在某种程度上更小的最大直径并且经过颈部合并到较小直径的被接收在螺纹圆柱中或通路中的节段中时，是特别地有利的。使用这种设计，如已经提到的，辅助性尖端还可以对于铆钉珠的形成起作用，特别是当颈部的曲率被选择为不同于铆钉节段的自由端的在间隙在其初始地存在的径向内侧处的形状时。在力于纵向轴线的方向在辅助性尖端上的施加期间，在朝向凸缘部件的方向，该辅助性尖端可以被相对于轴部件，即相对于铆钉节段，轴向地位移，由此间隙被初始地近似地关闭并且铆钉节段被径向地向外偏斜并且再成形为铆钉珠。当颈部具有与铆钉节段自由端的内侧相同的形状时，最终是足够的，使得不存在间隙，因为颈部的半径也可以是足够的，以导致铆钉珠的形成。因此专门的铆接模不是必需的并且附接过程可以是非常简单的。冲模母模和辅助性尖端然后可以被移除并且由被铆接于复合物构件130的螺母元件100组成的已完成的构件组件然后被形成，如图2E中所示的。注意，图2E中的构件130的下侧152位于一个平面中，至少在螺母元件100的区域中。以这种方式，提供平面的旋接上的表面，使得另外的构件(未示出)可以被从下侧并且实际上借助于被旋接穿过另外的构件并且穿过铆钉珠进入螺母元件100的螺纹112的螺栓元件而旋接至构件130上。当在本说明书中提到“下侧”和“上侧”、“下方”和“上方”或类似词语时，这种指代的方式仅涉及到几何图示并且不代表任何对几何布置的约束。例如，将是直接地可能的是，当构件130的局部平面具有相应地倾斜的位置时，把从下方过来的螺母元件100固定至构件130上或固定在任何期望的倾斜位置中。根据图2A-2E的一系列的图的复合物构件的穿透根据构件130的基质材料是软的或浆状的所在的温度而发生，例如对于PA6(聚酰胺6)在260°C。因为构件在这种状态中是软的，所以为了把尖端压动穿过构件所需要的力是相对小的并且构件的特别的支撑器不是绝对地必需的。代替地，构件可以，可以说，被独立地穿透。在另一个方面，也可以在穿透期间把构件支撑在相应的冲模母模上，例如在在本申请人的具有代理人案卷号P10447PDE的同时提交的专利申请中示出的冲模母模上，P10447PDE的内容成为本申请的内容的一部分。在下文将描述本发明的另外的实施方案并且在该另外的描述中，相同的参考数字将被用于已经被描述的特征或功能。应当理解，上文的描述也适用于该另外的实施方案，除非做了相反的声明。因此，描述将不被不必要地重复。图3A-3E示出了与图1A-1E的图中相同的螺母元件100，但是在此不同的辅助性尖端126被使用。看到，特别是从图3D，辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128再次会聚于一点，但是在此具有相应于中空铆钉节段106的圆柱形部件的内径的最大直径。该直径经过环形阶梯160合并到被旋接入中空螺母元件100的内螺纹112中的螺纹部件162中。根据图3A-3E，螺母元件100与辅助性尖端126的组合体向构件130的附接以与根据图1A-1E的组合的附接相似的方式发生，其中该附接在图4A-4D中专门地示出。因为辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128的最大直径相应于中空铆钉节段的内径，所以穿透部分地通过辅助性尖端的圆锥形会聚区域并部分地受铆钉节段的自由端来实现。然而这是没有问题的，因为铆钉节段在其的自由端处被倒圆角并且能够在穿透的实施期间帮助辅助性尖端128的圆锥形会聚区域128并且能够约束复合物构件中的被穿透的孔的最终的扩张。当辅助性尖端128的圆锥形会聚区域128和铆钉节段106的自由端面之间的略微的断开连接导致向下的材料位移时，这是非关键的，因为该材料形成被增厚的部分134的一部分并且最终被再次地向上压动并且被冲模母模140平坦化。当具有铆钉节段的螺母元件已经被压到构件中远至足以使图4C的状态被实现时，则构件借助于被从下方放置的冲模母模在其下侧152处被支撑并且螺母元件100被从上方压动至冲模母模140上。冲模母模的自由端146在此还压紧构件的自由端面152，并且其把凸起部分134和136的材料位移到螺母元件100的环沟槽中并且把构件的下侧压平。与图2A-2E的图示不同的，冲模母模140在此设有围绕冲模母模的中央通路142延伸并且被布置为与纵向轴线110同心的环形鼻部166。该通路142具有相应于辅助性尖端126的最大直径的或略微更大的内径。环形鼻部166在中空铆钉节段104的内侧处接合，被铆钉节段的自由端的曲线形状帮助并且把铆钉节段106扩大为铆钉珠150，如在图4D中示出的。在此，根据参考数字152的平面的旋接上的表面也产生。在构件130和中空螺母元件100之间的铆钉连接完成之后，得到与图2E的构件组件相同的构件组件，如图4D中所示的。在此是自然地必需的是，再次地旋开辅助性尖端126，使得根据图4D的构件组件采用最终的形式并且另外的构件可以被旋接至平面的旋接表面152上，如参照上文的实施方案描述的。也在该实施方案中，附接在升高的温度发生，使得复合材料的基质材料是软的或浆状的和/或可以被带进与螺母元件100的形式上适合的互锁，而不破坏纤维增强。在此，应当声明，在此处描述的所有的实施方案中，辅助性尖端的使用也是有利的，因为尖端在构件130的穿透期间不破坏纤维或破坏仅几个纤维。代替地，其更多地使纤维位移，由此不仅在围绕所穿透的孔的区域中产生构件的被增厚的部分，以及在螺母元件的形式上适合的附接区域中产生高浓度的增强纤维，而且纤维还经历一定的伸展，使得附接到螺母元件100的区域中的复合材料具有永久的压缩应力，这是对于防止疲劳裂化来说是有利的。此外，在此，可以说，螺母元件的附接可以被独立地进行，即构件130不被支撑或仅被以简单的方式和手段支撑，或在支撑器的辅助下被支撑，支撑器可以被形成为冲模母模并且实际上如根据本申请人的具有代理人案卷号P10447PDE的同时地提交的专利申请在上文描述的。完全可能的是，借助于自动供入系统把螺母元件100与辅助性尖端一起供应至构件130。这可以例如使用用于RND元件的附接到片材金属部件的本来已知的安装头进行。以与RND安装头相似的方式，构件130可以被引入压力机中并且可以被支撑在压力机的下部工具上或在合适的冲模母模上。具有向前的辅助性尖端126的螺母元件100在压力机关闭时被由压力机的上部工具携带的安装头或被压力机的中间板附接于构件。然而，在此使用压力机不是必须的，而是可以使用安装头，例如在手扳压机的类型中或在相似于柱式钻机(钻床)的设备中(没有安装头的旋转)，因为构件130的软状态不产生任何必需的高的穿透力。螺母元件还可以借助于机器人，或在配备有动力气缸的C形框架中，或借助于合适的钳子，或以其他的方式被附接于构件130。螺母元件100的另外的实施方案在图5A-5E中示出。图5A-5E的螺母元件100不同于之前描述的螺母元件，仅在于铆钉节段已经被成形作为截圆锥，即铆钉节段106在此具有圆锥形会聚区域180。这种形状是特别地有利的，因为铆钉节段106的截圆锥区180可以被用于穿透过程的一部分。例如，图6A-6C示出了以没有螺纹的螺栓状销钉182形式的辅助性尖端可以如何被压动穿过中空螺母元件100的中央通路108以及实际上从螺母元件100的距铆钉节段远的侧压动。以这种方式，引导至在自由端处的点的辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128突出超出铆钉节段的圆锥形区域180的自由端并且代表圆锥形区180的圆锥形的表面的延伸部。仅在从圆锥形会聚区域128至圆锥形区180中的过渡处存在小的不连续。图4B然后示出了两个圆锥形区域即128和180如何被同时地(或紧邻地相继地)使用以穿透构件130。如图6B中所示的，具有环形鼻部166的冲模母模被使用。以与根据图4A-4D的实施方案相似的方式，该环形鼻部166能够接合铆钉节段的圆锥形区的内侧并且能够把其形成为铆钉珠150，如在图6C中示出的。在此，铆钉节段的自由端的圆形端面也帮助与环形鼻部166的接合，环形鼻部166如之前描述的具有在外侧处的倾斜的表面，这帮助铆钉节段的滑动运动和铆钉珠150的形成。当使用根据图6A-6C的实施方案时，螺母元件100还可以借助于安装头被供应，并且在此压力不仅被施加在螺母元件100的受驱动表面124上而且还，或代替其地，施加在螺栓状辅助性尖端126的头部部分的端面186上。在根据图6C的构件组件的完成之后，辅助性尖端被向上从构件组件取出。其他未示出的可能性包括使用被形成为前期打孔器的辅助性尖端。这样的前期打孔器在片材金属加工的领域中使用以把中空的功能元件铆接于片材金属部件并且具有在那里的以至少实质上相应于前期打孔器直径的直径穿刺来自片材金属部件的穿透小块(piercing slug)的任务。其进而相应于被容纳在功能元件中的螺纹圆柱的内径。然而现有技术中的这样的前期打孔器具有平面的端面，因为人们借助于打孔器从片材金属部件切割出圆形的穿透小块。在功能元件使用前期打孔器附接片材金属部件期间，前期打孔器在压力机的与用于螺母元件铆接片材金属部件的同一个冲程中被压动穿过螺母元件的中心并且穿过片材金属部件。在完成穿透之后，螺母元件的铆接节段把片材金属部件形成为圆锥形地向下导向的轴环。铆钉节段的自由端最终穿过在轴环的自由端处的开口并且被铆接模向外围绕轴环的自由端造珠(beaded over),铆接模同时用作穿透模具，以形成铆接连接。在前期打孔器或，更精确地说，前期穿透尖端的用于本发明的使用中，穿透尖端被确定地以相似的方式运动，但是配备有在其的自由端处的、会聚至一点并且作为辅助性尖端操作并且不产生任何穿透小块的圆锥形会聚区域128。代替地，其通过构件130的材料的位移形成相应的孔132。使用这样的前期打孔器与穿透尖端是有利的，因为大量的构件可以使用同一个打孔器进行穿透，而当使用具有之前描述形式的辅助性尖端时，被称为辅助性尖端的部件必须在每次穿透之后被从相应的元件移除并且可能被作为废物弃去或在某种努力下可能被重复使用。另外的使用图5A-5E的元件的可能性在图7A-7C中示出。根据图7A-7C的辅助性尖端126具有两部分设计，其不仅包括具有圆锥形会聚区域128的实际部件，而且还包括圆柱部件200，圆柱部件200通过轻压配合引入通路108中或以其他的方式被定位在那里，例如借助于把螺母元件供应至构件130的安装头(未示出)。圆柱部件200用作用于“前”辅助性尖端126的圆柱形的轴部件202的引导器。在前辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128后方具有中空圆柱形区204，轴部件202的下端部被接收在中空圆柱形区204中，例如借助于在轴部件202的下端部处的外螺纹和在前辅助性尖端126的圆柱形区204中的内螺纹。然而，这种类型的螺纹连接不是必须的，而且其可以是胶接结合的连接或压配合，并且轴部件202还可以是与前辅助性尖端126一体的。在圆锥形会聚区域128后方并且在图示的形式中在优选地提供的圆柱形区204后方，辅助性尖端具有发散的弹簧岔心206。这些发散的弹簧岔心206以发散的形状延伸，从圆柱形区204的直径或从辅助性尖端126的圆锥形会聚区域128的最大直径开始，在相应于铆钉节段106的圆锥形会聚区域180的外径的直径处结束。如可以从图7A和7B容易地理解的，构件130的穿透初始地通过尖端的会聚至一点的圆锥形会聚区域128，并且然后通过弹簧岔心206的发散形状，并且最终通过铆钉节段106的圆锥形区180来进行。在构件130的穿透之后或期间，辅助性尖端126的前端部在以与图6B的冲模母模140相同的方式设有环形鼻部166的冲模母模140的中央通路142中引导。弹簧岔心206通过前辅助性尖端126的轴部件202相对于圆柱形引导器200的轴向运动而从其释放。在穿过冲模母模140的中空通路142的进一步的运动期间，弹簧岔心被从根据图7A的发散形状压动到根据图7B的轴向地平行的位置中。以这种方式，铆钉节段104的自由端被暴露于冲模母模140的环形鼻部166，达到使得环形鼻部166可以作用于铆钉节段的内侧并且把其径向地向外变形为铆钉珠的程度。换句话说，冲模母模140，即其的环形鼻部166，还在本实施例中起作用以把铆钉节段106的圆锥形区域180形成为铆钉珠150，如在图7C中示出的。辅助性尖端126与导向轴套200和轴部件202现在可以共同地被向下地穿过冲模母模的中央通路108完全移除并且被重复使用。然而，甚至更有利的是，把辅助性尖端126与导向轴套200和轴部件202 —起从由螺母元件100和构件130组成的已完成的构件组件穿过螺母元件100的中空通路108向上拉出，这可以借助于安装头实现。因为部件126、200和202被布置在安装头中并且可以在附接过程的某些阶段中在与安装头一起使用的工具(例如压力机)的单个工作冲程期间被运动，并且可以在其他的阶段中被相对于安装头以及相对于彼此运动(即在一个方面导向轴套200的相对运动并且在另一个方面前辅助性尖端126与轴部件202 —起相对运动)，所以完全自动化的过程可以被实施。因此辅助性尖端126与导向轴套200和轴部件202 —起可以被引入通过本来已知的供应手段供应至安装头的新螺母元件100的中央通路108中，以用于更新的使用。仅当铆钉珠15已经被形成时，辅助性尖端，即部件126、200和202，可以借助于安装头被简单地向上从螺母元件取出。冲模母模确保弹簧岔心保持其轴向地平行的位置，在该位置中它们位于具有小于螺纹圆柱112内径的直径的假想圆柱体内。因此具有部件200和202的辅助性尖端126可以被直接地向上从元件拉出。这是特别地有利的，因为一件式、两件式或三件式的辅助性尖端(取决于具体的设计)可以以与前期打孔器相似的方式被重复使用。在本变化形式中，铆钉节段的圆锥形区180也对穿透操作有贡献。然而图7A和7B的辅助性尖端126也可以与没有圆锥形区180的铆钉节段共同使用。同样可设想的是，把根据图7A和7B的辅助性尖端制造成单件式(未示出)。然而，当图7A中的导向轴套200可以被相对于前辅助性尖端向下地压动至相对于螺母元件和相对于前辅助性尖端126的轴向位置时，两件式设计是有利的。以这种方式，在导向轴套200的下端部处的圆锥形区可以把弹簧岔心向外压动，或把它们支撑在它们的向外弹簧支撑位置中并且把它们保持在或把它们带至相应于在铆钉节段106的圆锥形区域180的自由端区域处直径的直径。以这种方式，提供从前部尖端的圆柱形区域204至铆钉节段的圆锥形区域180直径的平缓过渡，这是对于孔形成有利的。然而导向轴套200不是绝对地必须的，辅助性尖端126的轴部件202可以被在螺母元件的中央通路108中直接地引导并且弹簧岔心的自由端可以被支撑在铆钉节段的自由端处，如果这样的支撑是完全必需的并且弹簧岔心的固有刚度本身不足以防止在孔形成期间弹簧岔心径向向内明显弹性的偏转的话。指出，根据图1A-1E的螺母元件还可以在没有辅助性尖端的情况下被附接在被以其他的方式预穿透的构件130中，如在图8A至8E的一系列的图中示出的。简单地说，构件130在图8A中借助于尖的尖端24被预穿透并且其然后具有根据图SB的预穿透状态。然后，具有向前的铆钉节段的螺母元件100被从上方插入穿过构件130的孔132，并且铆钉节段借助于从根据图8D的下方过来的冲模母模被再形成为铆钉珠，并且两个凸起部分134和136被同时地压碎，使得在那里存在的材料流入环沟槽中并且被带动为平坦地紧贴构件130的内侧152并且在环沟槽116内与提供防止旋转的肋部118接触，其中提供防止旋转的鼻部120同时压入构件130的表面中。本实施方案中的冲模母模140不需要中央通路并且鼻部166在此不是环形的而是柱状的。根据图8E的结果也相应于上文的根据图2E、4D、6C和7C的结果。进一步指出，当预穿透复合物构件时，这种预穿透不仅可以借助于尖端被实施，而且也是可设想的是，实施钻孔过程或穿刺过程，对于钻孔过程或穿刺过程，构件不一定必须被预加热。也是可设想的是，在构件的制造期间通过使用合适的模具提供在具有凸起部分134和136的构件中的孔132。在所有的实施方案中，应当注意，中空元件不一定被形成为铆钉元件。轴部件104不必须被形成为铆钉节段106，而是螺母元件还可以具有压入元件的形式，具有用于复合材料的材料形式上适合的接收的底切口，由此为了压出所需要的阻力和/或所需要的防止旋转被实现。这样的底切口可以然后被形成在轴部件处和/或形成在轴部件和凸缘部件之间。这样的设计对于在片材金属加工的领域中压动元件是本来已知的。当用于本发明目的的螺母元件是这样的压入元件时，然而，辅助性尖端被用于进行穿透过程。上文给出的解释还解释了为什么在主权利要求中给出了轴部件和铆钉节段之间的不同，以及铆钉节段可以被形成在不可变形的或至少实质上不可变形的轴部件的距凸缘部件远的端部处，使得轴部件和铆钉节段二者都可以存在的事实。
权利要求
1.中空元件(100),例如中空铆钉或螺母元件,所述中空元件(100)用于附接到由复合材料组成的构件(130)，例如纤维增强塑料部件或织物增强塑料部件，其中所述元件具有凸缘部件(102)和远离所述凸缘部件延伸的轴部件(104)和/或铆钉节段(106)，其中如果存在所述铆钉节段(106)的话，所述铆钉节段(106)还能够被形成在所述轴部件(104)的自由端处，其中所述中空元件还具有中央通路(108)，所述中央通路(108)可选择地设有螺纹圆柱(112)，其特征在于，所述中空元件(100)与辅助性尖端(126)组合地使用，所述辅助性尖端(126)被从所述元件的所述凸缘侧插入穿过所述通路(108)或从所述铆钉节段(106)的所述轴部件(104)的所述自由端的一侧插入所述通路中，使得所述辅助性尖端(126)的圆锥形会聚区域(128)分别从所述轴部件的所述自由端或所述铆钉节段的所述自由端突出。
2.根据权利要求1所述的中空元件，其特征在于，提供防止旋转的特征(118、120)被设置在所述凸缘部件(102)的区域中以在所述中空元件(100)和所述构件(130)之间形成防止旋转。
3.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述凸缘部件(102)设有环形的平面的接触表面(114)，所述环形的平面的接触表面(114)设有能够被压到所述构件的基质材料中的离散的轴向突出部(120)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其中所述凸缘部件(102)设有环形的平面的接触表面(114)并且具有径向地在该接触表面内侧的轴向环沟槽(116)，所述轴向环沟槽(116)优选地被布置为与所述轴部件(104)同心，并且其中提供防止旋转的特征，例如提供防止旋转的肋部(118)和/或提供防止旋转的凹陷部，被设置在所述轴向环沟槽的基部区域处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述辅助性尖端(126)通过不破坏所述螺纹(112)的压配合或通过弱粘结结合或通过所述通路中的磁力保持。
6.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其中中空元件(100)设有内螺纹(112)，其特征在于，所述辅助性尖端(126)具有被旋接入所述内螺纹(112)中的外螺纹(162)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述辅助性尖端(126)具有能够被引入所述中空元件的所述通路(108)中的圆柱形区域(133)并且具有在所述圆锥形会聚的尖端(128)和所述圆柱形区域之间的环肩部，其中所述环肩部在所述构件(130)的穿透之前能够或达到与所述轴部件(104)的所述自由端或所述铆钉节段(106)的所述自由端接触。
8.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述中空元件(100)具有在所述圆锥形会聚的尖端(128)后方的最大直径，该最大直径相应于或在某种程度上小于所述轴部件(104)的或所述铆钉节段(106)的外径，并且经过颈部(129)合并到被接收在所述螺纹圆柱(112)中或所述通路(108)中的具有较小直径的部分(133)中。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述辅助性尖端(126)被形成为前期打孔器，所述前 期打孔器能够从所述凸缘侧过来地被引入穿过所述中空元件(100)的所述通路(108)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述元件的所述中空轴部件(104)的所述自由端或所述铆钉节段(106)的所述自由端具有与所使用的所述辅助性尖端(126)的圆锥形形状匹配的圆锥形会聚的形式(180)。
11.根据前述权利要求1至5中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述辅助性尖端(126)具有在所述圆锥形会聚区域(128)后方的发散的弹簧岔心(206)，所述发散的弹簧岔心(206)在其发散的形状中结束在相应于所述轴部件(104)的所述自由端的外径或所述轴部件(104)的或所述铆钉节段(106)的所述自由端的所述圆锥形发散形状(180)的自由端面的直径处，并且所述弹簧岔心(206)能够在穿透所述构件(130)之后被向内压动。
12.根据权利要求11所述的中空元件，其特征在于，所述辅助性尖端(126)具有在后部的被引导在中空插入部(200)中的圆柱形延伸部(202)，所述中空插入部(200)被引入布置或旋接入所述中空元件的所述通路中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述中空元件(100)还与导致所述中空元件(100)与所述辅助性尖端(126) —起轴向运动的和/或导致所述辅助性尖端单独轴向运动的工具组合地使用，所述工具选自包括压力机、安装头、机器人、钳子、具有动力气缸的C形框架的组，其中所述构件优选地在所述穿透期间是独立的或被支撑在冲模母模(140)上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的中空元件，其特征在于，所述中空元件(100)与加热器配合地使用，所述加热器至少在所述穿透(102)的区域中至少局部地在所述中空元件附接的区域中把所述构件(130)加热至取决于基质材料的温度，在该温度，所述复合材料的所述基质材料不熔融而是软化或成为浆状，例如当所述材料是PA6时加热至260°C的温度。
15.一种辅助性尖端(126)，其根据前述权利要求中任一项被设计，用于与中空元件(100)组合地使用。
16.一种中空元件(100)，其根据前述权利要求中任一项被设计，用于与辅助性尖端(126)组合地使用，或不同地不具有辅助性尖端。
全文摘要
本发明涉及用于附接到包含复合材料的构件的中空元件。提出了用于附接到由复合材料组成的构件，例如纤维增强塑料部件或织物增强塑料部件的中空元件，例如中空铆钉或螺母元件。元件具有凸缘部件和远离凸缘部件延伸的轴部件和/或铆钉节段，其中铆钉节段，如果存在的话，还能够被形成在轴部件的自由端处，其中中空元件还具有中央通路，中央通路可选择地设有螺纹圆柱。中空元件被与辅助性尖端组合地使用，辅助性尖端被从元件的凸缘侧插入穿过通路或从铆钉节段的轴部件的自由端的一侧插入通路中，使得辅助性尖端的圆锥形会聚区域从轴部件的自由端或铆钉节段的自由端突出。
文档编号F16B37/06GK103216506SQ201310020659
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月21日 优先权日2012年1月20日
发明者奥利弗·迪尔, 理查德·汉弗伯特, 安德烈亚斯·伦巴赫, 克里斯蒂安·索瓦 申请人:形状连接技术有限公司及两合公司